現(xiàn)如今控制熱量對于解決諸如全球變暖、能源危機和電子設(shè)備加熱等問題尤為重要。緩解這些問題需要先進的工具來操縱不同長度尺度上各種形式的熱傳遞。
傳熱是支撐能量傳輸?shù)幕粳F(xiàn)象，通常由空間溫差引起。傳熱研究的主要關(guān)注點是溫度和熱流管理——將目標(biāo)加熱或冷卻到合適的溫度；以及能量收集——將熱源（如太陽）的熱能轉(zhuǎn)換為功能或其他形式的能量?，F(xiàn)如今控制熱量對于解決諸如全球變暖、能源危機和電子設(shè)備加熱等問題尤為重要。緩解這些問題需要先進的工具來操縱不同長度尺度上各種形式的熱傳遞。近年來，材料科學(xué)和物理學(xué)的發(fā)展促進了傳熱研究的復(fù)興。一方面，在傳統(tǒng)的加熱、冷卻和收集能源方面，新的方法正在出現(xiàn)，具有更高的效率、精度、適應(yīng)性、可調(diào)性和緊湊性。另一方面，人們提出了將熱作為信息載體，并將其用于通信、探測、反探測和計算的新應(yīng)用。這些研究成果已成為導(dǎo)電熱材料、納米聲子學(xué)和遠(yuǎn)場和近場熱輻射管理等研究方向。近日，科羅拉多大學(xué)李保文教授、斯坦福大學(xué)范汕洄教授以及新加坡國立大學(xué)仇成偉教授提供了傳熱控制的統(tǒng)一觀點，總結(jié)了利用人工結(jié)構(gòu)操縱物理參數(shù)和實現(xiàn)前所未有的傳熱現(xiàn)象的互補范例。本文分三個部分對熱流控制的三大類進行了綜述。第一部分和第二部分著重討論了宏觀和微觀尺度下的熱傳導(dǎo)和熱輻射。第三部分討論了在傳導(dǎo)、輻射和對流中積極引入熱源或調(diào)整具有多重物理效應(yīng)的材料參數(shù)的努力。最后，作者分析了這一研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)，探討了可能的新方向，特別是拓?fù)錈嵝?yīng)、熱波和量子熱效應(yīng)。該綜述近日以題為“Transforming heat transfer with thermal metamaterials and devices”發(fā)表在知名綜述Nature Reviews Materials上。
（a）熱變換理論及基于相變的熱隱身材料的設(shè)計。（b）制備的雙層隱身衣由內(nèi)絕緣殼和外導(dǎo)熱殼組成，在不變形的情況下，使其內(nèi)部不受熱輻射的影響。（c）依賴于溫度的變換使得能夠制造具有非對稱熱流行為的器件，例如，如圖中所示的熱二極管，其在一個方向上傳導(dǎo)熱量，但在相反方向上隔離熱量。
（a）一維超晶格中的相干（波浪線）和擴散（直線）聲子散射（左）。（b）二維納米聲子晶體（NPC）中聲子輸運的三種可能機制是由聲子波長λ、聲子平均自由路徑Λ和NPC周期d（左）之間的關(guān)系決定的。（c）三維NPC以及具有不同孔隙率的三維NPC和體硅的熱導(dǎo)率隨溫度的變化。（d）柱狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)降低的三種機制示意圖，雙柱撐膜（兩側(cè)有柱）和單柱撐膜（僅一側(cè)有柱）的導(dǎo)熱系數(shù)比相同厚度的均勻膜低兩個數(shù)量級。
圖三、遠(yuǎn)場熱輻射調(diào)控
（a）傳統(tǒng)的黑體熱輻射（橙色）和納米結(jié)構(gòu)控制的熱輻射（綠色）。（b）用于熱輻射控制的納米結(jié)構(gòu)，包括光子晶體、光柵、超材料和多層膜。（c）超越普朗克定律：在宏觀發(fā)射器和微觀熱天線中通過熱提取增強吸收截面。（d）在具有非零化學(xué)勢μγ的半導(dǎo)體中，通過分離電子ηc和空穴ηv的準(zhǔn)費米能級，可以獲得非平衡熱輻射。（e）非平衡熱輻射可以通過時間調(diào)制引起的頻率躍遷和非線性來實現(xiàn)。（f）超越基爾霍夫定律：非互易熱輻射。在非互易系統(tǒng)中，角光譜吸收率α和發(fā)射率ε之間的平衡可能被打破。（g）白天輻射冷卻可以使用在整個太陽光譜上吸收率接近零的材料，并且在8-13 μm光譜范圍內(nèi)具有強發(fā)射率。（h）太陽能熱光伏系統(tǒng)：一個中間元件吸收入射的陽光加熱，然后根據(jù)太陽能電池的帶隙產(chǎn)生熱輻射。（i）超越基爾霍夫定律：非互易熱輻射。在非互易系統(tǒng)中，角光譜吸收率α和發(fā)射率ε之間的平衡可能被打破。
（a）跨度為d或小于峰值熱波長λ的真空間隙的近場輻射傳熱示意圖。（b）在頻率-波矢（ω-k）空間上所有可能通道的近場輻射傳熱的理論極限。（c）一對間隔為10 nm的SiC平板之間的光子傳輸概率ξ（ω，k）的圖。（d-h）增強近場輻射傳熱的平臺包括超表面、光子晶體、溝槽、多層膜和通過逆向設(shè)計獲得的結(jié)構(gòu)。（i-n）近場傳熱器件的概念包括熱二極管、熱晶體管、熱調(diào)制器、熱循環(huán)器、近場熱光伏、器件和近場正、負(fù)發(fā)光冰箱。
（b）電場（E）和磁場可以改變某些材料的熱導(dǎo)率（κ）和發(fā)射率（ε）。（c）運動物質(zhì)（通過引入速度場而處于運動狀態(tài)）可以增強與運動流體接觸的固體中的導(dǎo)熱性，也可以使運動內(nèi)部的溫度場（以紅色表示）處于運動狀態(tài)。傳熱是一個歷史悠久的研究課題。當(dāng)前的研究活動主要集中在特定形式上，即一定長度尺度（宏觀尺度或納米尺度）的熱傳導(dǎo)，輻射或?qū)α?，這些活動通常與其他研究領(lǐng)域分開。在本綜述中，作者盡力將來自不同方面的零散工作放在同一框架下?；诤暧^設(shè)計，已經(jīng)有一些嘗試在納米尺度上實現(xiàn)熱隱身。變換理論已被用于處理輻射信號。對流被用來增強和遮蔽傳導(dǎo)熱。場致相變被廣泛應(yīng)用于各種長度尺度的熱傳導(dǎo)和熱輻射。也有熱超材料的理論設(shè)計，旨在同時控制傳導(dǎo)和輻射熱。盡管做出了這些努力，一個巨大的挑戰(zhàn)仍然是協(xié)同使用不同的方法來實現(xiàn)更復(fù)雜和實用的傳熱控制。大規(guī)模納米工程聲子結(jié)構(gòu)的制備是一個難點。熱電效應(yīng)和熱效應(yīng)很少被認(rèn)為是除了加熱和制冷以外的調(diào)節(jié)傳熱的潛在方法。建立這樣的連接將不僅豐富我們的知識，而且有助于解決許多多尺度和多物理問題，例如電子設(shè)備和電池的散熱、熱光電能量收集和熱電溫度調(diào)節(jié)。文獻鏈接：Transforming heat transfer with thermal metamaterials and devices (Nature Reviews Materials 2021, DOI: 10.1038/s41578-021-00283-2)
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